第9章計算機控制系統(tǒng)設計與實現(xiàn)計算機控制系統(tǒng)的設計，既是一個理論問題，又是一個工程問題。計算機控制系統(tǒng)的理論設計包括：建立被控對象的數(shù)學模型；確定滿足一定技術經(jīng)濟指標的系統(tǒng)目標函數(shù)，尋求滿足該目標函數(shù)的控制規(guī)律；選擇適宜的計算方法和程序設計語言；進行系統(tǒng)功能的軟、硬件界面劃分，并對硬件提出具體要求。本章主要介紹計算機控制系統(tǒng)設計的原則與步驟、計算機控制系統(tǒng)的工程設計與實現(xiàn)、計算機控制系統(tǒng)的設計舉例。9.1系統(tǒng)設計的原則與步驟9.1.1系統(tǒng)設計的原則9.1.2系統(tǒng)設計的步驟9.1.1系統(tǒng)設計的原則1.安全可靠2.操作維護方便3.實時性強4.通用性好5.經(jīng)濟效益高9.1.2系統(tǒng)設計的步驟1.工程頂目與控制任務的確定階段2.工程項目的設計階段3.離線仿真和調(diào)試階段4.在線調(diào)試和運行階段9.2系統(tǒng)的工程設計與實現(xiàn)9.2.1系統(tǒng)總體方案設計9.2.2硬件的工程設計與實現(xiàn)9.2.3軟件的工程設計與實現(xiàn)9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運行9.2.1系統(tǒng)總體方案設計1.硬件總體方案設計2.軟件總體方案設計3.系統(tǒng)總體方案9.2.2硬件的工程設計與實現(xiàn)1．選擇系統(tǒng)的總線和主機機型2．選擇輸入輸出通道模板3．選擇變送器和執(zhí)行機構9.2.3軟件的工程設計與實現(xiàn)1．數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)結構規(guī)劃2．資源分配3．實時控制軟件設計9.2.4系統(tǒng)的調(diào)試與運行1.離線仿真和調(diào)試(1)硬件調(diào)試(2)軟件調(diào)試(3)系統(tǒng)仿真2.在線調(diào)試和運行9.3設計舉例

——啤酒發(fā)酵過程計算機控制系統(tǒng)9.3.1啤酒發(fā)酵工藝及控制要求9.3.2系統(tǒng)總體方案的設計9.3.3系統(tǒng)硬件和軟件的設計9.3.4系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果

9.3.1啤酒發(fā)酵工藝及控制要求1.啤酒發(fā)酵工藝簡介啤酒發(fā)酵是一個復雜的生物化學過程，通常在錐型發(fā)酵罐中進行。在二十多天的發(fā)酵期間，根據(jù)酵母的活動能力，生長繁殖快慢，確定發(fā)酵給定溫度曲線，如右圖所示。要使酵母的繁殖和衰減、麥汁中糖度的消耗和雙乙酰等雜質(zhì)含量達到最佳狀態(tài)，必須嚴格控制發(fā)酵各階段的溫度，使其在給定溫度的±0.5℃范圍內(nèi)。2.系統(tǒng)的控制要求(1)系統(tǒng)共有10個發(fā)酵罐，每個罐測量5個參數(shù)，即發(fā)酵罐的上中下三段溫度、罐內(nèi)上部氣體的壓力和罐內(nèi)發(fā)酵液(麥汁)的高度，共有三十個溫度測量點、10個壓力測量點、10個液位測量點。因此共需檢測50個參數(shù)。(2)自動控制各個發(fā)酵罐中的上中下三段溫度使其按圖9-7所示的工藝曲線運行，溫度控制誤差不大于±0.5℃。共有30個控制點。(3)系統(tǒng)具有自動控制、現(xiàn)場手動控制、控制室遙控三種工作方式。(4)系統(tǒng)具有掉電保護、報警、參數(shù)設置和工藝曲線修改設置功能。(5)系統(tǒng)具有表格、圖型、曲線等顯示和打印功能。9.3.2系統(tǒng)總體方案的設計1.發(fā)酵罐測控點的分布及管線結構（如右圖所示）2.檢測裝置和執(zhí)行機構3.控制規(guī)律4.控制系統(tǒng)主機及過程通道模板5.控制系統(tǒng)的軟件9.3.3系統(tǒng)硬件和軟件的設計1.系統(tǒng)硬件的設計控制系統(tǒng)的組成框圖，如右圖所示。(1)模擬量輸入通道設計(2)模擬量輸出通道設計2.系統(tǒng)軟件的設計(1)數(shù)據(jù)采集程序(2)數(shù)字濾波程序(3)標度變換程序①溫度的標度變換②壓力的標度變換③液位的標度變換(4)給定工藝曲線的實時插補計算(5)控制算法①PID算式加特殊處理②施密斯（Smith)預估控制算式(6)其它應用程序9.3.4系統(tǒng)的安裝調(diào)試運行及控制效果

現(xiàn)場進行安裝時，首先在現(xiàn)場安裝溫度、壓力變送器、液位變送器、調(diào)節(jié)閥等，然后從現(xiàn)場敷設屏蔽信號電纜到控制室，最后將這些線纜接到工業(yè)控制計算機外面的接線端子板上。調(diào)試工作主要是對變送器進行滿度和零點校準，A/D板和D/A板滿度和零點校準；另外就是利用試湊法確定PID控制器的控制參數(shù)。系統(tǒng)經(jīng)過安裝調(diào)試后，投入運行，并滿足系統(tǒng)的控制要求。該系統(tǒng)操作簡單，使用維護方便，性能可靠；采用微機控制，提高了啤酒質(zhì)量；改善了勞動條件，不用人工手動操作，消除了人為因素；易于現(xiàn)代化管理和產(chǎn)品質(zhì)量分析；采用表格、圖形、曲線顯示直觀，并有打印輸出功能。9.4設計舉例

—機器人計算機控制系統(tǒng)9.4.1PUMA560機器人的結構原理9.4.2機器人運動學方程9.4.3機器人動力學方程9.5.4機器人手臂的獨立關節(jié)位置伺服控制9.4.1PUMA560機器人的結構原理9.4.2機器人運動學方程1.機器人正運動學2.機器人逆運動學9.4.3機器人動力學方程機器人動力學可通過Euler-Lagrange方程來描述。和分別為系統(tǒng)的6個關節(jié)的角位移和角速度向量，為作用于6個關節(jié)的外力矩向量。9.4.4機器人手臂的獨立關節(jié)